Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwaliteitsborging van betonverhardingen kunnen belangrijke informatie opleveren over de kwaliteit, duurzaamheid en naleving van hybride ontwerpcodes.
Bij de aanleg van betonverharding kunnen zich noodsituaties voordoen, waarbij de aannemer de kwaliteit en duurzaamheid van ter plaatse gestort beton moet controleren. Hierbij kan het gaan om blootstelling aan regen tijdens het storten, het na-aanbrengen van uithardingsmiddelen, plastische krimp en scheurvorming binnen enkele uren na het storten, en problemen met de textuur en uitharding van het beton. Zelfs als aan de sterkte-eisen en andere materiaaltesten is voldaan, kunnen ingenieurs onderdelen van het wegdek moeten verwijderen en vervangen omdat ze zich zorgen maken of de ter plaatse gestorte materialen wel aan de ontwerpspecificaties van de betonmix voldoen.
In dit geval kunnen petrografie en andere aanvullende (maar professionele) testmethoden belangrijke informatie opleveren over de kwaliteit en duurzaamheid van betonmengsels en of deze voldoen aan de specificaties van de werkzaamheden.
Figuur 1. Voorbeelden van fluorescentiemicroscopische microfoto's van betonpasta bij 0,40 w/c (linkerbovenhoek) en 0,60 w/c (rechterbovenhoek). De afbeelding linksonder toont het apparaat voor het meten van de soortelijke weerstand van een betonnen cilinder. De afbeelding rechtsonder toont de relatie tussen volumeweerstand en w/c. Chunyu Qiao en DRP, een Twining Company.
Wet van Abram: “De druksterkte van een betonmengsel is omgekeerd evenredig met de water-cementverhouding.”
Professor Duff Abrams beschreef voor het eerst de relatie tussen water-cementverhouding (w/c) en druksterkte in 1918 [1], en formuleerde wat nu de wet van Abrams wordt genoemd: "De druksterkte van beton Water/cementverhouding." Naast het beheersen van de druksterkte, wordt de water-cementverhouding (w/cm) nu bevoordeeld omdat het de vervanging van Portlandcement door aanvullende cementmaterialen zoals vliegas en slak erkent. Het is ook een belangrijke parameter voor de duurzaamheid van beton. Veel studies hebben aangetoond dat betonmengsels met w/cm lager dan ~0,45 duurzaam zijn in agressieve omgevingen, zoals gebieden die worden blootgesteld aan vries-dooicycli met dooizouten of gebieden met een hoge concentratie sulfaat in de bodem.
Capillaire poriën zijn een inherent onderdeel van cementspecie. Ze bestaan uit de ruimte tussen cementhydratatieproducten en ongehydrateerde cementdeeltjes die ooit met water gevuld waren. [2] Capillaire poriën zijn veel fijner dan meegevoerde of ingesloten poriën en moeten niet met hen worden verward. Wanneer de capillaire poriën met elkaar verbonden zijn, kan vloeistof uit de externe omgeving door de cementpasta migreren. Dit fenomeen wordt penetratie genoemd en moet tot een minimum worden beperkt om de duurzaamheid te garanderen. De microstructuur van het duurzame betonmengsel is dat de poriën gesegmenteerd zijn in plaats van verbonden. Dit gebeurt wanneer w/cm kleiner is dan ~0,45.
Hoewel het notoir moeilijk is om de w/cm2 van verhard beton nauwkeurig te meten, kan een betrouwbare methode een belangrijk kwaliteitsborgingsinstrument zijn bij het onderzoeken van verhard ter plaatse gestort beton. Fluorescentiemicroscopie biedt een oplossing. Zo werkt het.
Fluorescentiemicroscopie is een techniek die epoxyhars en fluorescerende kleurstoffen gebruikt om details van materialen te belichten. Het wordt het meest gebruikt in de medische wetenschappen en heeft ook belangrijke toepassingen in de materiaalkunde. De systematische toepassing van deze methode in beton begon bijna 40 jaar geleden in Denemarken [3]; het werd in 1991 in de Scandinavische landen gestandaardiseerd voor het schatten van de waterdichtheid (W/C) van verhard beton en werd in 1999 bijgewerkt [4].
Om de w/cm van cementgebaseerde materialen (d.w.z. beton, mortel en injectiemortel) te meten, wordt fluorescerende epoxy gebruikt om een dun gedeelte of betonblok te maken met een dikte van ongeveer 25 micron of 1/1000 inch (Figuur 2). Het proces omvat: De betonnen kern of cilinder wordt gesneden in platte betonblokken (blanks genoemd) met een oppervlakte van ongeveer 25 x 50 mm (1 x 2 inch). De blank wordt op een glasplaatje gelijmd, in een vacuümkamer geplaatst, en epoxyhars wordt onder vacuüm ingebracht. Naarmate w/cm toeneemt, zullen de connectiviteit en het aantal poriën toenemen, waardoor er meer epoxy in de pasta zal doordringen. We onderzoeken de vlokken onder een microscoop, met behulp van een set speciale filters om de fluorescerende kleurstoffen in de epoxyhars te exciteren en overtollige signalen eruit te filteren. In deze afbeeldingen vertegenwoordigen de zwarte gebieden aggregaatdeeltjes en ongehydrateerde cementdeeltjes. De porositeit van beide is in principe 0%. De heldergroene cirkel is de porositeit (niet de porositeit), en de porositeit is in principe 100%. Een van deze kenmerken is de gespikkelde groene "substantie": een pasta (figuur 2). Naarmate de w/cm en de capillaire porositeit van beton toenemen, wordt de unieke groene kleur van de pasta steeds helderder (zie figuur 3).
Figuur 2. Fluorescentiemicrofoto van vlokken met geaggregeerde deeltjes, holtes (v) en pasta. De horizontale veldbreedte is ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao en DRP, een Twining Company.
Figuur 3. Fluorescentiemicrofoto's van de vlokken laten zien dat naarmate de w/cm toeneemt, de groene pasta geleidelijk helderder wordt. Deze mengsels zijn belucht en bevatten vliegas. Chunyu Qiao en DRP, een Twining Company.
Beeldanalyse omvat het extraheren van kwantitatieve gegevens uit beelden. Het wordt gebruikt in veel verschillende wetenschappelijke vakgebieden, van remote sensing microscopen. Elke pixel in een digitale afbeelding wordt in feite een datapunt. Deze methode stelt ons in staat om getallen te koppelen aan de verschillende groene helderheidsniveaus die in deze afbeeldingen te zien zijn. In de afgelopen 20 jaar, met de revolutie in desktopcomputers en digitale beeldacquisitie, is beeldanalyse een praktisch hulpmiddel geworden dat veel microscopisten (waaronder betonpetrologen) kunnen gebruiken. We gebruiken beeldanalyse vaak om de capillaire porositeit van de slurry te meten. Na verloop van tijd hebben we ontdekt dat er een sterke systematische statistische correlatie bestaat tussen w/cm en de capillaire porositeit, zoals weergegeven in de volgende afbeelding (afbeelding 4 en afbeelding 5).
Figuur 4. Voorbeeld van gegevens verkregen uit fluorescentiemicroscopie van dunne coupes. Deze grafiek toont het aantal pixels bij een gegeven grijstint in één microfoto. De drie pieken corresponderen met aggregaten (oranje curve), pasta (grijze zone) en holte (ongevulde piek uiterst rechts). De curve van de pasta maakt het mogelijk om de gemiddelde poriegrootte en de standaarddeviatie te berekenen. Chunyu Qiao en DRP, Twining Company Figuur 5. Deze grafiek vat een reeks gemiddelde capillaire metingen (w/cm) en 95%-betrouwbaarheidsintervallen samen in het mengsel van puur cement, vliegascement en natuurlijk pozzolaanbindmiddel. Chunyu Qiao en DRP, een Twining Company
Uiteindelijk zijn drie onafhankelijke tests nodig om aan te tonen dat het beton ter plaatse voldoet aan de specificaties van het mengselontwerp. Verzamel zoveel mogelijk kernmonsters van plaatsingen die aan alle acceptatiecriteria voldoen, evenals monsters van gerelateerde plaatsingen. De kern van de goedgekeurde lay-out kan als controlemonster worden gebruikt en kan als benchmark dienen om de conformiteit van de relevante lay-out te evalueren.
Onze ervaring is dat wanneer ingenieurs met ervaring de gegevens van deze tests zien, ze de plaatsing meestal accepteren als aan andere belangrijke technische kenmerken (zoals druksterkte) wordt voldaan. Door kwantitatieve metingen van w/cm2 en de vormingsfactor te leveren, kunnen we verder gaan dan de tests die voor veel projecten zijn voorgeschreven om aan te tonen dat het betreffende mengsel eigenschappen heeft die zich vertalen in een goede duurzaamheid.
David Rothstein, PhD, PG, FACI, is hoofdlithograaf van DRP, een Twining Company. Hij heeft meer dan 25 jaar professionele ervaring als petrololoog en heeft persoonlijk meer dan 10.000 monsters van meer dan 2.000 projecten wereldwijd geïnspecteerd. Dr. Chunyu Qiao, hoofdwetenschapper van DRP, een Twining Company, is geoloog en materiaalkundige met meer dan tien jaar ervaring in cementmaterialen en natuurlijke en bewerkte gesteenteproducten. Zijn expertise omvat het gebruik van beeldanalyse en fluorescentiemicroscopie om de duurzaamheid van beton te bestuderen, met speciale aandacht voor de schade veroorzaakt door dooizouten, alkali-siliciumreacties en chemische aantasting in afvalwaterzuiveringsinstallaties.
Plaatsingstijd: 07-09-2021